摘要: 根据亲水亲油平衡(Hydrophile2L ipophile Balance, HLB) 理论, 通过选择合适的乳化剂、抗磨剂、极压剂、防锈剂等添加剂, 研制成适用于硬态黄铜(H68, H70 和H72) 的热轧乳化液, 成功地应用于2Cr13不锈钢焊态热轧辊初轧多种硬态黄铜板材, 取代了目前铜加工生产中, 对于硬态黄铜普遍使用润滑脂间歇式地润滑热轧辊的工艺。生产结果表明: 由于采用直接连续地喷射乳化液到轧辊表面, 容易控制板形和板材的尺寸; 提高了轧辊的抵抗磨损和防止粘辊的能力, 克服了铜带表面的“黑丝”、“发黄”和粗糙化现象, 稳定地改善了铜带表面的质量, 降低了工人劳动强度,从而极大地提高了生产效率并延长了轧辊的使用寿命。 关键词: 热轧; 乳化液; α2黄铜; 粘辊
铜及铜合金轧制摩擦、润滑一直是世界各铜加工厂关注和深入研究的重要课题。铜合金轧制的润滑剂对延长轧辊使用寿命、改善产品表面质量、提高生产效率有举足轻重的作用[ 1~5 ] 。长期以来, 铜带轧制润滑工艺技术和润滑油成分受到各国政府和企业的严加保密和封锁。一些老式轧机仍然使用煤油、机械油、黄油进行润滑, 致使产品表面质量较差, 而且存在能源消耗大, 使用时易产生油烟, 工人的劳动环境恶劣等问题。锌含量小于或等于32% (质量分数) 的α黄铜, 由于其硬度较普通黄铜大, 比普通黄铜更难轧, 热轧时采用水基乳化液体系润滑的更是未见报道。为了改进黄铜热轧的生产工艺, 提高生产效率,并降低能源消耗, 改善劳动环境, 提高初轧品的表面质量, 有必要研制单相α黄铜热轧乳化液。 1 乳化液母液成分的选择 1.1热轧乳化液的一般要求 铜轧制对板面污染限制特别严格, 因此对乳化液的要求也较高。铜加工中板面的污染通常有3种: 油污染, 硫污染, 水污染[ 6~9 ] 。合理选择乳化液的成分是控制油污染和硫污染的有效途径。水污染主要是通过加强后续生产工序、减少带材存放时间来解决。油污染是基础油中含有比退火温度高的高沸程组分在退火中容易残留在铜材表面上炭化而造成的, 因 而基础油中不应含有比退火温度高的馏分。石蜡基矿物油原料易得, 高温稳定性好, 对添加剂的感受性也好, 是优良的润滑油料。环烷基矿物油由于芳烃含量高, 氧化稳定性差, 高温下容易氧化降解变质生成不溶的沉淀物, 因而不适用于热轧。含碳10~20直链的矿物油, 由于较低的粘度、密度、可压缩性和压-粘指数, 在金属加工中被广泛应用, 考虑到机械油具 有良好的添加剂性能, 因此本文选用了N15 号的低粘度机械油作为基础油。 1.2 乳化剂选择和乳化实验 乳化剂必须既具有良好的亲水性能又具有良好的亲油性能, 才能配制出稳定的乳化液, 通常用亲水亲油平衡值HLB 来评价其乳化性能。据文献报道, 直链烷烃类基础油的HLB 值(基础油制备成O /W乳化液所需的HLB 值) 为11~13[ 10 ]。因此, 所使用的乳化剂的HLB 值应在11~13的范围内。使用一种乳化剂乳化基础油时, 其乳化效果不是很好, 而采用两种 或两种以上乳化剂复配的方法乳化基础油, 可以配制出性能较好的乳化液。本实验用司本80和吐温80按式(1) 复配, 在不同HLB 值、不同乳化剂用量下考察了它对N15 号基础油的乳化效果, 得到了乳化该基础油所需的****HLB 值。 HLB =ΣiHLB i ·wi (1) 式中: HLB i 为第i种乳化剂的HLB 值; wi 为第i种乳化剂占乳化剂总量的质量分数。 为了达到良好的乳化效果, 本实验分别选择了S280 /TW280、S280 /TW220、S280 /OP210 等乳化剂配对, 这些乳化剂按HLB 复配, 并调整乳化剂的用量,考察其乳化效率, 选出用量最少、乳化效率最高的乳化剂配对。实验中, 本文利用油酸与三乙醇胺在合适的温度下反应, 自制了一种油酸三乙醇胺非离子乳化剂。实验证明, 该非离子乳化剂与司本80按HLB 复 配, 乳化效率最高, 配制的乳化液也最稳定。为了增加乳化液的稳定性并改善其润湿性能, 需加入助表面活性剂。加入低分子醇类助表面活性剂后, 乳化液稳定性良好, 乳化液色泽更白, 润湿性能较好, 在玻璃仪器中能自动沿器壁爬升。 1.3 极压剂、油性剂和防锈剂的选择 黄铜热轧是在高温、高压、高速下进行塑性变形的, 在此条件下完全的流体润滑是不可能实现的。一般认为在变形区入口处是混合润滑状态, 而在变形区入口处之外是边界润滑状态, 在这两种润滑状态下,形成的润滑油膜很容易被金属表面突起的尖蜂或压力所破坏, 形成干摩擦。因此, 必须添加极压添加剂来有效阻隔轧辊和带材表面粘结。 常用的极压添加剂有硫系、磷系和氯系极压剂。由于硫会在铜带材表面析出, 并生成黑色的Cu2 S,形成产品表面的硫污染, 因而硫系极压剂的使用受到了限制。含氯极压剂在表面与铁反应形成氯化铁覆盖膜, 这种膜水解后容易生锈, 所以在有水存在时不能使用。因此, 本文选用了有机磷化合物作为极压添加剂。磷系极压剂的极压性能介于硫系极压剂和氯系极压剂之间, 据文献[ 11 ] 报道, 在轧制过程中, 极压值能够达到750 N以上的极压剂, 就能够满足压力加工的要求, 并且磷系极压剂具有一定的抗磨性能,其水解产物会在金属表面产生一个很强的吸附膜, 这层膜在轧制过程中能够有效保护轧辊, 减小轧辊磨损。研究表明磷酸脂的水解性能与抗磨性能之间存在明显的对应关系, 酸性脂的极压性较中性脂好。但磷系极压剂由于在金属表面发生强烈的吸附, 容易造成腐蚀磨损, 因此必须注意极压剂的使用量, 防止腐蚀磨损的发生。 油性剂具有很好的减摩效果。常用的油性添加剂有醇类、酸类和脂类。酸类能够显著降低轧制力, 具有较强的减摩效果, 但酸在退火时对带材表面的污染也最严重。醇类与脂类的减摩效果基本相当, 但退火清净性优于脂类。因此, 醇类添加剂最适合作为黄铜热轧的油性剂, 酯类效果稍差。当油性剂类型一定时, 随碳链增长, 其润滑性能变好。少于10 个碳的醇和脂在轧制时无油性, 碳原子太多在退火时易产生褐色沉积, 而且在基础油中的溶解性能也变差, 造成乳化液母液分层。一般认为, 碳原子数在12~18 之间时作用********。醇和脂具有较好的协和效应, 能改善轧后产品的表面质量。但油性剂总量较多时, 会使退火清净性变差, 因而油性剂的总量应有一个较佳范围, 通常醇酯复合油性剂添加量应在015% ~4%。 此外, 为了在水基润滑液使用过程中保护轧机和轧辊不生锈, 使用了防锈添加剂。常用的油溶性铁防锈剂有石油磺酸钠、石油磺酸钡、环烷酸锌等。在乳化液母液制备过程中, 将这些防锈剂添加到乳化液母液中, 并加水将母液配制成1%的乳化液。根据相应的测试标准, 用一级灰口铸铁进行单片和叠片实验,考察其防锈性能。结果表明, 石油磺酸钠具有很好的 防锈性能和基础油溶解性能, 能够满足配制黄铜热轧乳化液的要求。 乳化液在使用过程中会发生氧化, 使有效成分不断分解, 摩擦产生的活性铜离子混入乳化液中更会加速这一过程, 因此, 需加入抗氧剂抑制氧化过程。微生物在乳化液中生长也会破坏乳化液的有效成分, 因此必须加入杀菌剂。试验证明, 酚类添加剂具有良好的抗氧化效果和一定的杀菌能力, 能够满足乳化液的使用要求。另外, 在乳化液母液中还加入了消泡剂,以抑制乳化液的起泡能力。 实验中, 先后考察了不同的添加剂加入顺序、添加剂含量以及合成温度等因素对乳化液母液稳定性的影响, 得出了****的工艺条件和添加剂含量。 2 乳化液性能测定 2.1乳化液基本性能测定 通过实验筛选, 最终合成的乳化液及母液性能见表1。
表1 乳化液的各项性能指标
项目 |
性能 |
试验方法 |
母液外观 (15 ~ 35 ℃ ) |
红棕色透明油体 |
目测 |
乳化液 pH 值 |
8140 |
SH 0365292 |
乳化液稳定性 (15 ~ 35 ℃ , 24 h) /mL |
无油皂析出 , 不分层 |
SH 0365292 |
防锈性试验 ( (35 ± 2) ℃ , 一级铸铁片 ) |
|
/h SH 0365292 |
单片 |
> 48 |
|
叠片 |
> 8 |
|
腐蚀试验 ( (55 ± 2) ℃ , 全浸 ) |
|
/ h SH 0365292 |
钢片 |
24 |
|
铜片 |
6 |
|
铝片 |
4 |
|
pB 值 /N |
74418 |
GB /T 3142 |
磨斑直径 (392 N, 30 min) /mm |
01690 |
GB /T 3142 |
消泡性能 |
合格 |
SH 0365292 |
食盐允许量 |
|
SH 0365292 |
试验结果表明, 研制的乳化液满足各项性能指标要求。 2.2 抗磨、极压性能测定 鑫科公司曾将市售的一种普通乳化液用于H62黄铜(Cu 62%, Zn 38%) 热轧, 但把该乳化液应用于H68 黄铜(Cu 68%, Zn 32%) 热轧时, 结果表明,H62热轧乳化液难以使H68黄铜正常咬入, 同时不能在铜带表面形成有效的润滑膜。热轧了20张H68的板材后, 就出现板面发黄、粘辊等现象。因此, 本文将H62热轧乳化液(称为1#乳化液) 与研制出的乳化液 (称为2#乳化液) 在济南产MQ800型摩擦磨损试验机上, 按GB /T 3142 方法测定试样的****无卡咬负荷pB , 以及在负荷为192 N、转速为1 450 r/min、时间为30 min的条件下进行长磨试验, 比较其润滑性能。测pB 值的乳化液浓度为1%, 结果见表2。长磨试验乳化液的浓度为015%, 磨斑直径为: 1#01640 mm, 2#01480mm, 摩擦因数的结果见图1。
表 2 乳化液极压值 |
乳化液 |
极压值 /N |
1# |
54818 |
2# |
74418 |
3# |
92112 |
从表2可以看出, 在相同的浓度下, 2#乳化液极压性能明显好于1#乳化液。图1长磨试验结果进一步表明, 2#乳化液的减摩性能要好于1#。据此判断, 2#乳化液润滑性能优于1#乳化液。由于鑫科公司进行的试验已经表明1#乳化液难以使H68黄铜正常咬入,因此2#也可能出现同样的问题。因而需要在保证足够润滑的情况下, 适当增加摩擦以保证能够正常咬入。 本文通过实验筛选了一种水溶性聚醚多元醇添加剂(称为聚合添加剂A) , 以改善乳化液的阻隔性能,并适当增加摩擦以保证咬入。但如果将聚合添加剂A制备到乳化液母液中, 会造成乳化液母液分层, 因此,聚合添加剂A与乳化液必须配合使用。本文在2#乳化液中添加一定比例的聚合添加剂A配制成新的乳化液体系(称为3#乳化液, 乳化液浓度为1%) , 将3#乳化液按GB /T 3142方法测定pB 值, 并与2#在负荷为392N、转速为1 450 r/min、时间为30 min的条件下进行长磨试验, 比较其润滑性能。测得的pB 值的结果见表2。长磨试验的磨斑直径为: 2# 01690 mm, 3# 01745mm, 摩擦因数的测定结果见图2。
图1 乳化液30 min长磨试验结果 图2 乳化液30 min长磨试验结果 由图2可以看出, 3#乳化液适当增加了摩擦, 降低了润滑效果, 预期可以在轧机上使用。 3 现场使用及性能评价 3.1 对比实验
图3 三辊往复式热轧机 为了不影响正常生产, 试验时未使用轧机原来的润滑系统, 而是将轧机下废液池作为乳 化液池, 另辟乳化液循环系统进行水基润滑热轧试验。轧机为三辊往复式热轧机(见图3) , 轧辊为2Cr13 不锈钢焊态热轧辊(见图4 ( a) ) , 平辊轧制。在试验过程中, 2#乳化液正如所料出现了咬入困难。轧制的一、二、三共三个道次不能正常咬入, 需操作工人用力推动才能咬入。 在此情况下对轧辊的损耗也特别大, 大约轧制180张就必须更换轧辊, 其辊面情况如图4(b) 所示。3#乳化液咬入情况较好, 铜带表面的质量也较高。经检测, 表面无“黑丝”、“发黄”和粗糙化现象, 辊面的磨损不大, 可以连续轧制300张以上铜带毛坯。
图4 轧辊表面(中辊) 状况 3.2 水基润滑工艺的性能评价 通过多次试验, 最终确定3#乳化液母液及聚合添加剂A的****配比和使用浓度, 采用9 道次轧制H68、H70 (Cu 70% , Zn 30% ) 、H72 (Cu 72% , Zn28% ) 黄铜达到了良好效果, 与以前打黄油轧制工艺相比, 具有以下优点: (1) 该乳化液具有很好的抗磨、减摩性能, 降低了轧辊消耗, 延长了换辊周期, 一套新辊可轧制300张板材以上; (2) 该乳化液能很好地在轧辊和轧件表面形成油膜, 改善了产品的表面质量, 带材表面更光洁, 消除了碳化物、轧辊铁等杂质; (3) 由于乳化液中水的比例很大, 能充分冷却轧辊, 有助于控制辊形, 轧制时将原来的凹辊改成了平辊, 并降低了带坯公差和中间差; (4) 大大提高了劳动效率, 降低了工人的劳动强度。 4 结论 (1) 采用机械油作基础油和表面活性剂、油性剂、极压剂、防锈剂等添加剂复配合成了黄铜热轧乳化液母液, 该乳化液各项理化性能指标均达到了要求。 (2) 经安徽鑫科新材料有限公司使用表明, 该乳化液与聚醚多元醇复配可以满足H68、H70等硬态黄铜热轧的工艺润滑需要, 取代了“打黄油”工艺。 (3) 采用乳化液润滑方式, 极大地提高了热轧工效, 新辊可以轧制超过300张的铜带, 轧制后铜带表面光洁平整、尺寸精确、表面无黑丝等缺陷, 提高了成品表面质量。
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